15放大电路的频率响应.docVIP

3.2.2.5放大电路的频率响应 1.频率响应概述 ⑴研究放大电路频率响应的必要性 在放大电路中，由于耦合电容、路旁电容、电感线圈等电抗元件的存在，当信号频率下降到一定程度时，电压放大倍数的数值将减小，且产生超前相移；由于晶体管极间电容及电路的分布电容、寄生电容等的存在，当信号频率上升到一定程度时，电压放大倍数的数值将减小，且产生滞后相移。这说明放大倍数是频率的函数，这种函数关系称为频率响应或频率特性。“通频带”就是用来描述电路对不同频率信号适应能力的动态参数。每一个具体的放大电路都有一个确定的通频带，仅适用于一定的信号频率范围。因此，只有放大电路的通频带覆盖了信号的频率范围，才能正常放大信号。即必须根据信号频率范围选择放大电路的频率参数。 在前面的电路分析中，所用的晶体管的等效模型没有考虑极间电容的作用，即认为它们对信号频率呈现的电抗值为无穷大，因而它们只适用于对低频信号的分析。 ⑵频率响应的概念 在放大电路中，由于耦合电容对于频率足够高的信号相当于短路，使信号几乎无损地通过；而对于低频信号的容抗不可忽略，造成信号的损失；因而，对信号构成了高通电路。与耦合电容相反，由于半导体管极间电容对于高频信号的容抗很大，相当于开路；而当信号频率高到一定程度时，极间电容将分流，导致信号损失；因而对信号构成了低通电路。所以，阻容耦合放大电路的频率响应如图3-50所示，其上图是放大倍数的数值与频率的关系，称为幅频特性，为中频段的电压放大倍数；下图是放大倍数的相位与频率的关系，称为相频特性。 在低频段，使下降到0.707、相移为+45°的频率为下限截止频率,简称为下限频率；在高频段，使下降到0.707、相移为 - 45°的频率为上限截止频率，简称为上限频率；放大电路的通频带 (3-50) 图中曲线中的虚线表示横轴很长。 图3-50 阻容耦合放大电路的频率响应 ⑶波特图 图3-51 阻容耦合放大电路的波特图 在研究放大电路的频率响应时，输入信号（即加在放大电路输入端的测试信号）的频率范围常常在几赫到上百兆赫，甚至更宽；而放大电路的放大倍数可以从几倍到上百万倍。为了在同一坐标系中表示如此宽的变化范围，在画放大电路频率特性曲线时，常采用对数坐标，称为波特图。 波特图由对数幅频特性和对数相频特性两部分组成，它们的横轴采用对数刻度，但常标注为；幅频特性的纵坐标采用表示，称为增益，单位是分贝（）；相频特性的纵坐标仍用表示。波特图不但开阔了视野，而且将多级放大电路各级放大倍数的乘法运算转换成加法运算。具有图3-50所示频率特性的放大电路的波特图如图3-51所示。因为,所以在处增益下降3。 2.晶体管的高频等效模型 从晶体管的物理结构出发，考虑发射结和集电结电容的影响，就可以得到在高频信号作用下的物理模型，称为混合模型。 ⑴晶体管的混合模型 (a)晶体管的等效电路 （b）混合等效模型 图3-52 晶体管的高频等效电路 图3-52(a)是晶体管的等效电路。图中，分别为基区、集电区和发射区的体电阻，的数值较小，常常忽略不计。、分别为集电结电阻、发射结电阻，的数值很大，近似分析中可视为无穷大。为集电结电容，为发射结电容。图(b)是与图(a)对应的简化的高频等效电路，因其电路形状似，电路参数量纲有多个，故称之为混合等效模型。在近似分析中，还可视c-e间电阻为无穷大。 从图可知，由于和的存在，使和的大小、相角均与频率有关，即是频率的函数。根据半导体物理分析，晶体管的受控电流与发射结电压成线性关系，且与信号频率无关。因此，混合模型中引入了一个新参数，称为跨导。它在点一定、小信号作用下是一个常数，表明对的控制关系，。 ⑵混合模型的单向化处理 由于跨接在输入与输出回路之间，因而输入回路的任何变化将通过直接传递到输出回路；同样，输出回路的任何变化也将通过之间传递到输入回路，所以使得电路的分析变的十分复杂。因此，为了简单，将分别等效在输入回路和输出回路，称为单向化。单向化处理应依据等效的原则变换实现。设折合到间的电容为,折合到c-e间的电容为,则单向化后的电路如图3-53(b)所示。 (a) 为无穷大的混合模型 (b)单向化后的混合 模型 (c)忽略的混合模型 图3-53 晶体管高频等效电路的单向化 在图3-53(a)所示电路中，为c-e间等效总负载电阻。从看进去，中流过的电流为 为了保证变换的等效性，要求流过的电流仍为,而它的端电压为，因此的电抗为 考虑在近似计算时，取中频时的值，所以。这说明分之一。因此 (3-51) 间总电容为